Le traitement thermique est une étape post-coulée cruciale pour affiner la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces métalliques. En chauffant soigneusement une pièce à des températures spécifiques, en la maintenant (trempée) pendant des durées contrôlées et en la refroidissant selon des modalités définies, les fonderies peuvent ajuster la dureté, la résistance, la ductilité, la ténacité, la résistance à l'usure et les contraintes résiduelles.
Les traitements thermiques typiques comprennent le recuit, la normalisation, le soulagement des contraintes, la trempe (durcissement), le revenu, la trempe martensitique/la trempe austre, le traitement en solution et le vieillissement (durcissement par précipitation) et le durcissement de surface (carburation/nitruration).
Le recuit chauffe le métal à 1,550 1,850-XNUMX XNUMX °F, puis le refroidit lentement dans le four. Ce processus ramollit le métal et le rend plus facile à usiner.
Le refroidissement lent permet à la structure cristalline du métal de se réorganiser, supprimant ainsi les contraintes internes accumulées lors de la coulée ou du travail à froid.
Le recuit dure de 4 à 12 heures selon le type et l'épaisseur du métal. Les pièces en acier nécessitent souvent un recuit avant d'être usinées ou mises en forme.
Le recuit de détente chauffe le métal à 1,000 1,200-XNUMX XNUMX °F pour éliminer les contraintes internes sans modifier la dureté. La température reste inférieure au point où la structure du métal se modifie.
Ce procédé prévient le gauchissement et la fissuration des pièces finies. Les structures soudées et les composants usinés nécessitent souvent un traitement de relaxation des contraintes pour conserver leur stabilité dimensionnelle.
Le métal chauffe pendant 1 à 2 heures par pouce d'épaisseur. Il refroidit ensuite lentement à l'air libre ou dans le four.
La normalisation consiste à chauffer l'acier à plus de 1,600 XNUMX °F, puis à le refroidir à température ambiante. Cela crée une structure granulaire uniforme dans tout le métal.
Le processus dure 1 à 2 heures et produit des pièces 10 à 20 % plus dures que l'acier recuit. L'acier normalisé s'usine mieux et présente des propriétés plus constantes.
Les pièces moulées et forgées subissent souvent une normalisation pour améliorer leur structure. Le refroidissement à l'air produit une granulométrie plus fine que le refroidissement au four.
La trempe refroidit rapidement le métal chauffé dans l'eau, l'huile ou l'air pour augmenter sa dureté. L'acier doit être chauffé à 1,450-1,550 °C avant la trempe pour atteindre une dureté maximale.
La trempe à l'eau refroidit plus rapidement et produit les résultats les plus durs. La trempe à l'huile réduit le risque de fissuration en refroidissant plus lentement.
Le refroidissement rapide emprisonne les atomes de carbone dans la structure cristalline de l'acier. Cela crée un matériau dur mais cassant qui nécessite généralement un revenu.
Le revenu réchauffe l'acier trempé à 300-1,200 °C (XNUMX-XNUMX XNUMX °F) pour réduire sa fragilité tout en préservant sa dureté. Des températures de revenu plus élevées produisent un acier plus résistant, mais plus tendre.
Le processus prend de 1 à 4 heures selon les propriétés souhaitées. Un foret peut être trempé à 550 °C pour la dureté, tandis qu'un ressort peut être trempé à 800 °C pour la flexibilité.
Le revenu transforme la structure fragile de la martensite en une combinaison plus résistante de ferrite et de carbures. Cela équilibre dureté et ténacité pour une utilisation pratique.
La trempe martre consiste à tremper l'acier dans un bain de sels fondus à une température de 400 à 600 °C avant refroidissement à l'air. Cela réduit les déformations et les fissures par rapport à une trempe classique.
La trempe austrempée maintient l'acier à une température de 500 à 750 °C pendant plusieurs heures pour former de la bainite. Cette structure offre une excellente ténacité à des niveaux de dureté élevés.
Ces deux procédés produisent moins de distorsion que la trempe conventionnelle. Les engrenages, les ressorts et les pièces de précision utilisent souvent ces méthodes.
Le traitement thermique de mise en solution dissout les éléments d'alliage à une température de 900 à 1,000 °C, suivi d'un refroidissement rapide. Cela crée une solution solide sursaturée dans l'aluminium et d'autres alliages non ferreux.
Le vieillissement chauffe ensuite le métal à 250-500 °C pendant 4 à 24 heures. De fins précipités se forment dans toute la structure, augmentant sa résistance de 50 à 100 %.
Le durcissement superficiel crée des surfaces résistantes à l'usure tout en préservant la solidité du noyau. Ces méthodes de traitement thermique ne modifient que la couche externe des pièces.
La cémentation ajoute du carbone aux surfaces en acier en chauffant les pièces à une température de 1,650 1,750 à 4 20 °F dans une atmosphère riche en carbone. Le processus dure de XNUMX à XNUMX heures selon la profondeur souhaitée.
La cémentation gazeuse utilise du méthane ou du propane comme source de carbone. La cémentation en bloc enveloppe les pièces d'une poudre riche en carbone.
La surface à haute teneur en carbone peut atteindre une dureté de 60 à 63 HRC après trempe. Les engrenages, les roulements et les arbres à cames subissent généralement une cémentation.
La nitruration diffuse de l'azote sur les surfaces en acier à une température comprise entre 950 et 1,050 °C (65-70 XNUMX °F) à l'aide d'ammoniac. Ce procédé crée une couche superficielle extrêmement dure de XNUMX à XNUMX HRC.
La température plus basse empêche la déformation, ce qui rend la nitruration idéale pour les pièces finies. La profondeur de la couche atteint 0.001 à 0.020 pouce après 10 à 80 heures.
Les surfaces nitrurées résistent mieux à l'usure, à la corrosion et à la fatigue que les surfaces cémentées. Les matrices de moulage sous pression et les vis d'extrusion bénéficient de la nitruration.
La trempe par induction utilise des champs électromagnétiques pour chauffer les surfaces en acier à 1,550 °C en quelques secondes. Un jet d'eau refroidit immédiatement la zone chauffée.
La trempe à la flamme utilise des chalumeaux oxyacétyléniques pour le même objectif. Les deux méthodes durcissent des zones spécifiques sans affecter l'ensemble de la pièce.
Ces procédés fonctionnent sur des aciers à teneur moyenne en carbone contenant entre 0.40 et 0.50 % de carbone. Les arbres, les engrenages et les plaques d'usure bénéficient souvent d'un durcissement localisé.
Le traitement cryogénique expose les métaux à des températures inférieures à -250 °F à l'aide d'azote liquide. Ce procédé complète la transformation martensitique des aciers trempés. L'austénite résiduelle se transforme en martensite lors du refroidissement profond.
Le traitement dure de 24 à 36 heures, avec refroidissement et réchauffement contrôlés. Les pièces présentent une résistance à l'usure et une stabilité dimensionnelle améliorées. Les aciers à outils et les alliages hautes performances sont ceux qui bénéficient le plus du traitement cryogénique.
| Processus | Température/Refroidissement | Microstructure | Matériaux | Applications | Avantages | Désavantages |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Recuit | Chauffer jusqu'à la région α↔γ (~Ac1–Ac3), tremper, refroidissement très lent (four) | Ferrite grossière + perlite ou sphéroïdite ; soulagement des contraintes | Aciers au carbone et alliés ; fontes grises et malléables ; alliages de cuivre et d'aluminium | Pièces moulées usinables, pièces ductiles, préformage | Adoucit le métal, ductilité élevée, contrainte réduite | Diminue la résistance, grains grossiers, cycle long |
| Soulagement du stress | 500–700 °C (acier) ou ~500 °C (fonte), trempage, refroidissement lent de l'air/du four | Essentiellement inchangé (récupération des dislocations) ; croissance de petits grains possible | Presque tous les alliages de moulage (aciers, fers, Al) | Pièces moulées de grandes dimensions/épaisses, pièces soudées ou usinées | Réduit la distorsion, améliore la stabilité et la ténacité | Adoucissement minimal ; étape supplémentaire |
| Normaliser | ~20–50°C au-dessus de Ac3, tremper, air frais | Ferrite+perlite fine et uniforme (grains raffinés) | Aciers au carbone et faiblement alliés | Pièces moulées structurelles (engrenages, arbres), acier pré-moulé | Affine le grain, plus dur/plus résistant que le recuit | Plus dur que recuit, certaines contraintes de trempe |
| Trempe | Au-dessus de Ac3, tremper, tremper dans l'eau/l'huile/le polymère | Martensite (±bainite) ; très dure, cassante | Aciers à teneur moyenne/élevée en carbone, aciers à outils, certains fers | Pièces d'usure, outils, engrenages, arbres | Maximise la dureté et la résistance | Fragilité élevée, déformation/fissuration |
| Trempe | 150–600 °C (basse température relative), trempage, refroidissement | Martensite revenue (ferrite + carbures dispersés) | Aciers trempés (carbone, alliage) | Après trempe : ressorts, engrenages, outils | Augmente la ténacité, réduit la fragilité | Réduit la dureté, traitement supplémentaire |
| Martempering | Tremper à environ 100–200 °C, maintenir, puis refroidir à l'air libre | Martensite (moins sollicitée) | Aciers à haute teneur en carbone/alliés | Pièces épaisses/durcies (engrenages carburés) | Contraintes plus faibles que la trempe directe, dureté uniforme | Contrôle complexe, vitesse de refroidissement limitée |
| Trempe austère | Tremper à ~260–400 °C, maintenir isotherme, puis refroidir | Structure bainitique (ausferrite) | Aciers à moyen carbone; fonte ductile (ADI) | Pièces d'usure ADI, pièces moulées à haute résistance | Haute ténacité et résistance à l'usure, moins de distorsion | Nécessite un bain de sel, seuls certains alliages conviennent |
| Solution + Vieillissement | Chauffer à température de solution (par exemple 500–1050 °C), tremper, puis vieillir à 150–600 °C | Solution solide monophasique → précipités fins (par exemple Al₂Cu, Ni₃Ti) | Alliages d'aluminium (2xxx, 6xxx, 7xxx) ; acier inoxydable PH ; alliages de nickel | Composants aérospatiaux, pièces moulées en aluminium trempé | Très haute résistance mécanique et à la corrosion | Distorsion, processus long, contrôle strict de la température |
| Carburation | ~850–950 °C dans un bain/gaz riche en C, trempage, puis trempe | Surface martensitique à haute teneur en carbone ; noyau tendre | Aciers à faible teneur en carbone, fonte ductile | Engrenages, cames, arbres, surfaces d'usure | Surface dure avec noyau ductile ; haute résistance à la fatigue | Distorsion, cycles longs, milieux toxiques (liquide) |
| Nitruration | ~480–550 °C dans le gaz NH₃, longue durée de trempage, pas de trempe | Couche de nitrure dur (Fe₄N etc.) en surface, noyau inchangé | Aciers nitrurants (aciers Cr, Al) | Pièces de pompe à carburant, arêtes de coupe, arbres | Boîtier très rigide ; distorsion minimale ; procédé sans huile | Lent (heures), boîtier peu profond, choix d'alliage limité |
